波譜分析課程教學的實踐與思考

曹書霞 廖新成

(鄭州大學化學系 河南鄭州 450052)

波譜分析課程教學的實踐與思考

曹書霞 廖新成

(鄭州大學化學系 河南鄭州 450052)

介紹作者在長期波譜分析課程教學實踐的基礎上,對該課程教學內容及教學方法改革的一些探索。

波譜分析課程是化學系各專業(yè)的主要選修課,它以若干交叉學科的知識為基礎,實踐性和應用性均很強,主要包括紫外光譜法、紅外光譜法、核磁共振波譜法以及質譜分析法 4部分[1]。通過該課程的學習,應使學生了解現(xiàn)代波譜分析技術及其工作原理,掌握各類波譜分析技術的特點及方法,培養(yǎng)學生解析化合物波譜圖的基本技能,為將來從事化學研究工作打下必要和堅實的基礎。在威廉斯(D.H.W illiams)和弗萊明 (I.Fleming)編著的《有機化學中的光譜方法》一書序言中[2],作者寫道:“在 19世紀后半葉,波譜方法已經(jīng)成為有機化學發(fā)展的奠基石”,由此可見波譜方法的重要性?，F(xiàn)今波譜分析技術已經(jīng)成為探索有機分子以及生物大分子結構的最有效、最可靠的手段之一,因此現(xiàn)代波譜分析技術已經(jīng)成為化學以及相關學科工作者所必須掌握的技術之一。近幾年,一些院校對于波譜分析課程的教學方法及考試模式等進行了一些改革,并提出了建議[3-5]。作者從事本科生、研究生波譜分析教學和波譜相關科研工作已經(jīng)十幾年,積累了較豐富的教學和科研經(jīng)驗。下面介紹作者在波譜分析課程的教學內容及教學方法方面所作的一些有益嘗試和探索。

1 教學內容力求實用和新穎

(1)注重波譜技術發(fā)展史的介紹。在介紹每一種波譜技術方法時,首先介紹其出現(xiàn)的技術背景及社會背景,強調每一個方法的建立都是和實際應用需求分不開的,突出課程的實用性。例如 20世紀 30年代末,由于石油工業(yè)的發(fā)展,需要測定油的成分。當時用蒸餾的方法首先分離烴類混合物,然后再用分別測定折光率的方法進行分析,通常要用數(shù)天時間。在 20世紀 40年代初,開始將質譜方法用于石油工業(yè)中烴的分析,從而大大縮短了分析時間。在 1942年,世界上出現(xiàn)了第一臺商品化的質譜儀,主要用于石油精煉和橡膠工業(yè)。另外在核磁共振及質譜技術的發(fā)展史中,有一些對波譜技術發(fā)展做出了卓越貢獻的學者獲得了諾貝爾獎。在教學中穿插這些內容,可以引發(fā)學生對波譜技術的興趣,有助于激發(fā)他們在日后的研究工作中對一些現(xiàn)有技術改進的靈感。例如 2002年的諾貝爾化學獎授予了美國科學家約翰·芬恩(John B.Fenn)、日本科學家田中耕一 (Koichi Tanaka)和瑞士科學家?guī)鞝柼?·維特里希 (Kurt Wüthrich),以表彰他們在生物大分子結構確定和分析研究領域所發(fā)展的波譜新方法,其中就涉及到兩種新的質譜離子源技術以及一種新的核磁共振技術[6]。緊接著,2003年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了英國物理學家曼斯菲爾德 (P.Mansfield)和美國科學家勞特布爾 (P.C. Lauterbur),以表彰他們在核磁共振成像應用以及在醫(yī)學診斷和研究領域的重大成果。雖然此項技術與解析未知化合物結構沒有直接的關系,但對此項技術的簡單介紹可以使學生感知核磁共振技術從分析分子結構跨越到分析人體組織的發(fā)展歷程。

(2)圍繞縱橫兩條主線,理順課程內容的框架結構。波譜分析課程涉及的每種儀器方法都有各自的理論基礎、應用范圍和研究內容,在教學時容易使課程顯得內容龐雜、結構松散,導致學生在學習時容易產生零散、枯燥的感覺。有些學過這門課的學生到了高年級仍不清楚何種情況下利用波譜技術能更快速、高效地解決實際工作中的問題,甚至有時不知樣品如何配制。我們在教學中采取了把握兩條縱橫主線的方法:一條縱穿整個課程的主線是“波譜”,除去質譜法與電磁波沒有聯(lián)系之外,其他 3大譜學方法都是電磁波與樣品分子作用的結果。不同的電磁波作用在分子上,呈現(xiàn)出不同的波譜特征,因此應該使學生能以“波譜”為主線,從譜圖產生的原理上理解 3大譜學之間的聯(lián)系;而另一條主線橫穿每一章的內容,即以儀器原理、波譜特征和實踐應用為主線,講解每一種波譜學方法。每章的學習首先介紹該波譜方法的原理、儀器類型、介紹其制樣方法,然后闡述各類化合物的波譜特征,最后介紹該種譜學方法的實際應用。這樣圍繞該課程的兩條主線能使學生清晰地把握波譜分析課程的框架,掌握課程內容的重點。

(3)在波譜的應用中引入科研實例。在課程的內容安排上,應注重理論與實際的有效結合。這門課的最終目的是提高學生波譜分析技能,故若沒有大量的實際例子進行實戰(zhàn)講解,往往效果欠佳。我們在學生掌握了各類譜圖的基本規(guī)律之后,通過大量的科研實例使學生增強感性認識,掌握解析各類化合物譜圖的基本特征,使學生所學知識得以鞏固。學生往往對身邊的研究感興趣,故在教學中引入本系與波譜相關的科研實例,往往能激發(fā)起學生的興趣,這樣可使科研實例有近有遠,有大有小,從而取得較好的教學效果。例如科研中一些立體化學的問題常?？梢岳煤舜殴舱窦夹g來解決,立體化學中的手性、構型、構象等問題往往可以和核磁共振譜圖中的峰形、裂分情況聯(lián)系起來,舉一些科研實例可以引導學生感受如何將波譜知識應用到實際工作中去。當講到核磁共振的NOE效應時,我們舉了一個本系科研的實例[7],即利用NOE實驗確定合成分離得到的氨基酸氫膦烷非對映異構體之一的空間構型。該例子的講授加深了學生對NOE概念的理解,強化了NOE效應在科學研究中的作用。

(4)介紹波譜分析新技術。波譜分析技術一直處于快速發(fā)展中,因此有必要在課程中穿插一些相關的內容,使學生了解波譜分析技術的發(fā)展趨勢。例如近十幾年來色譜-波譜技術的聯(lián)用得到了迅速普及,強大的分離技術和波譜分析鑒定技術的密切配合,已在許多領域獲得了廣泛的應用。尤其是在生命科學領域,給化學工作者提出了許多具有挑戰(zhàn)性的化學問題,該項技術也為解決生命科學過程中的一些問題,如生物活性物質的分析等提供了強有力的工具。我們在課程中穿插講授了氣相色譜-傅立葉變換紅外光譜、氣相色譜-質譜、液相色譜-質譜、毛細管電泳-質譜、液相色譜-核磁共振譜等聯(lián)用技術的簡單原理以及應用范圍,使學生對色譜-波譜聯(lián)用技術有初步的了解。

(5)網(wǎng)上波譜資源的介紹。目前網(wǎng)上有許多較好的波譜譜庫資源和波譜知識網(wǎng)站,介紹網(wǎng)上相關波譜資源,不但可以豐富和鞏固學生相關的波譜知識,而且有利于學生了解和掌握在網(wǎng)絡上查詢和獲取化學資源及信息的方法。例如給學生介紹的一個免費波譜圖檢索網(wǎng)站(http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi)可以查詢化合物的 IR、1H-NMR、13C-NMR、MS譜圖數(shù)據(jù);另一個譜庫資源是美國的 N IST數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站 (http://webbook.nist.gov/chemistry),可以查詢化合物的 IR、MS、UV圖譜,這些免費的數(shù)據(jù)庫可以強化學生對譜圖特征的感性認識,有利于學生在解題過程中利用標準圖譜加以比對。另外網(wǎng)上還有許多介紹波譜知識的網(wǎng)站,例如美國加利福尼亞 Scripps質譜中心的網(wǎng)站 (http://masspec. scripps.edu/),有許多關于質譜發(fā)展史、質譜基礎理論、質譜前沿知識以及最新質譜研究的內容,可以供感興趣的學生學習和參考;由劍橋同位素實驗室和加利福尼亞大學洛杉磯分?；瘜W和生物化學系共同維護的環(huán)球譜學網(wǎng)站 (http://www.chem.ucla.edu/～webspectra/index.html),不但有基礎理論知識,而且提供了許多有關1H-NMR、13C-NMR、DEPT、COSY和 IR光譜的練習題,這些練習題分別設置為初級、中級和高級,可以供不同階段的學生進行練習;美國羅切斯特技術學院化學系的 Joseph P.Hornak博士創(chuàng)建的核磁共振學習網(wǎng)頁 (http://www.cis.rit. edu/htbooks/nmr/inside.htm),詳細闡述了核磁共振的原理及應用,在原理講解中還穿插了許多形象生動的 Flash動畫,是深入學習和理解核磁共振原理的一個全面而且優(yōu)秀的網(wǎng)站。

2 教學方式力求生動和高效

(1)以往的教學將波譜分析作為有機化學專業(yè)的一門專業(yè)課對待,理論講授較多,方法和應用內容相對較少,而且與物理有機、有機合成及其他相關課程的界限分得過于清楚。在講授方式上,我們將波譜分析這門課和有趣的反應機理、高超的合成技巧以及波譜分析實驗課巧妙地配合進行,這樣既不枯燥,又易于激發(fā)學生的學習興趣。通過實際的合成例子,由圖譜推測結構,由結構推測機理,反過來又可從機理驗證結構的正確性。此外,設計一些相關的實驗在波譜分析實驗課上讓學生動手練習,可以有效地提高學生對課程的興趣,并鍛煉學生綜合利用波譜技術解決實際科研問題的能力。

(2)要達到波譜分析教學的目的,必須讓學生掌握各類化合物的結構與其波譜圖特征信息之間的關系,最終達到利用各種譜圖信息確定化合物結構的目的。因此,大量的圖譜信息是教學的必需素材。傳統(tǒng)的教學方法采用板書以及幻燈片的方式,這些方式提供的信息量少,而且速度慢,不能滿足提供大量信息的要求。因此在波譜分析教學中應利用多媒體技術,在課堂上根據(jù)需要靈活播放所需的文字以及圖片信息。另外,多媒體技術還可以集文字、圖片、聲音于一體,形象生動地展示各類儀器的原理以及譜圖的特征。例如在講授質譜儀器的工作原理時,由于質譜技術的快速發(fā)展,不同類型的離子源和不同類型的質量分析器組成了不同類型的儀器,若只是利用文字和圖片,學生對各類質譜儀的工作原理不易理解透徹。我們從網(wǎng)上下載了一些質譜儀器工作原理的 Flash動畫,通過演示動畫及視頻資料,使課堂更加生動活潑,使學生能輕松地理解各類質譜儀的工作原理,并留下較深的印象。又如一些紅外光譜應用軟件可以形象地演示譜圖中吸收峰所對應的化學鍵振動類型,生動地演示吸收峰與分子結構的對應關系。因此,多媒體技術的應用,可以大幅度增加波譜分析教學的信息量,同時能加深學生對各類儀器原理的理解以及對各類化合物波譜特征的掌握,從而提高學生解析譜圖的能力。

(3)在課堂上逐步引入專業(yè)英語詞匯,使學生能盡快、盡早地熟悉相關專業(yè)詞匯,提高學生閱讀英文文獻及網(wǎng)絡資源的能力,這樣有利于學生盡快了解波譜前沿知識以及最新進展。另外,在課堂上演示從國外網(wǎng)站選擇的一些優(yōu)秀的波譜學動畫,由于有英語字幕和配音,既能提高學生的專業(yè)英語閱讀能力,又能鍛煉學生的聽說能力。

波譜分析是一門理論與實用性都較強的課程,我們希望通過對波譜分析課程教學內容以及教學方法的一些適當調整,使學生更好地掌握波譜分析的理論知識,提高解析譜圖的能力。

[1] 劉宏民.實用有機光譜解析.鄭州:鄭州大學出版社,2008

[2] W illiamsD H,Fleming I.SpectroscopicMethods in Organic Chemistry.5th ed.London:McGraw-HillBook Co,1995

[3] 許招會,王生,廖維林,等.光譜實驗室,2007,24(3):400

[4] 許招會,王生,彭云.化學教育,2006,27(6):35

[5] 陸小蘭,唐洪杰,張桂玲,等.化工高等教育,2006,91(5):104

[6] 何美玉.大學化學,2003,18(1):18

[7] 曹書霞,劉金明,郭艷春,等.波譜學雜志,2007,24(2):147